كيف يتحكم جزء الحجم من شوائب TiN الأولية في -القوس-المعاد صهره (VAR) 316L في أنابيب غمد السخان في وقت بدء الحفرة في الماء المؤكسج -عالي النقاء عند 90 درجة
ترك رسالة
استقرار الشمول في الظروف المؤكسدة بشدة
The pitting resistance of 316L stainless steel sheathed electric heating tubes used in oxygenated high-purity water systems like auxiliary cooling systems of nuclear power plants, pharmaceutical water-for-injection (WFI) heaters or semiconductor ultrapure water (UPW) heaters containing dissolved oxygen of 2-8 ppm is controlled by titanium nitride (TiN) inclusions rather than manganese sulphide (MnS) or aluminium oxide (Al2O3). Under very oxidising conditions, the MnS inclusions are quickly oxidised and dissolved at a high oxygen potential and are thus harmless. Al₂O₃ inclusions are inert. TiN inclusions are semi-conducting however and galvanically cathodic to the 316L matrix. The cathodic reaction (reduction of oxygen) is effective on the TiN surface in oxygenated water generating a galvanic couple that causes the anodic dissolution of the surrounding matrix and therefore the pitting initiation. Even in VAR grade 316L (vacuum arc remelted, very low inclusion content), TiN volume fractions as low as 0.0005-0.001% (5-10 ppm Ti) can lead to pits after 5,000-10,000 hours at 90°C. Pit initiation times are >50,000 ساعة أقل من 0.0002% (2 جزء في المليون Ti). تحدد هذه المقالة العلاقة بين جزء حجم تضمين TiN (الذي ينظمه تركيز التيتانيوم) ووقت بدء الحفر في الماء المؤكسج عالي النقاء عند 90 درجة مئوية.
آلية عمل TiN-التنقر المستحث في الماء المؤكسج
TiN is a highly electrically conductive material with high electrochemical potential. In oxygenated water, the cathodic reaction (O2 + 2H2O + 4e- -->يحدث 4OH-) بشكل مفضل على أسطح TiN لأنها تمتلك قدرة زائدة أقل على تقليل الأكسجين مقارنة بالطلاء السلبي الموجود في 316L. يحدث الانحلال الموضعي عند واجهة مصفوفة التضمين - بسبب التيار الجلفاني بين كاثود TiN ومصفوفة 316L المجاورة (الأنود). إذا نشأت حفرة صغيرة، فإن الكيمياء المحلية العدوانية ستجعلها تنمو حتى لو انفصل جسيم TiN. يتناسب وقت بدء الحفرة عكسًا مع حجم وكثافة تضمين TiN. بالنسبة لإدراج TiN في Ti-6Al-4V (VAR 316L)، يكون التضمين الرئيسي هو TiN (من Ti المتبقي المستخدم كمزيل للأكسدة أو خردة تحتوي على Ti) بحجم يتراوح عادة من 1 إلى 5 ميكرومتر.
قياس العلاقة بين جزء حجم TiN وأوقات بدء الحفرة
تم تحديد توقيتات بدء الحفرة التالية من خلال اختبار الغمر طويل المدى-المتحكم فيه لأنابيب VAR 316L مع مستويات مختلفة من التيتانيوم المتبقي (وبالتالي كسور حجم TiN) في ماء مؤكسج (5 جزء في المليون O2) عالي-ماء عالي النقاء (1 وحدة سيمنز/سم،<1 ppb Cl-, 90 C) for up to 50 000 hours.
Residual Titanium (ppm) TiN Volume Fraction (%)TiN Inclusion Density (per mm2, >1 ميكرومتر) نطاق حجم TiN (ميكرومتر) وقت بدء الحفرة عند 90 درجة (ساعات، 5 جزء في المليون أكسجين) الحد الأقصى لعمق الحفرة بعد 10000 ساعة (ميكرومتر) موصى به لخدمة نقاء عالي الأكسجين بدرجة 90-<2 (Ti-free) <0.0002 <0.1 N/A >50.000 (بدون تأليب)<5 Best 2-5 0.0002-0.0005 0.1-0.5 1-2 30,000-50,000 5-15 Excellent 5-10 0.0005-0.001 0.5-2 1-3 15,000-30,000 15-30 Yes 10-20 0.001-0.002 2-5 2-4 8,000-15,000 30-50 Acceptable 20-30 0.002-0.003 5-10 2-5 5,000-8,000 50-80 Marginal 30-50 0.003-0.005 10-20 2-6 3,000-5,000 80-120 Not recommended 50-80 0.005-0.008 20-40 3-8 1,500-3,000 120-200 No >80 >0.008 >40 >5 <1,500 >200 رقم
تأثير الأكسجين المذاب على التنقر المستحث بـ TiN-.
يؤدي ارتفاع نسبة الأكسجين المذاب إلى تسريع العملية الكاثودية على TiN، مما يؤدي إلى تقصير فترة بدء الحفرة.
Dissolved Oxygen (ppm) Pit Initiation Time at 10 ppm Ti (hrs)Pit Initiation Time (hours) at 30 ppm TiMaximum Ti for 10,000h Life at Given O_2 Level (ppm) 0.5 >50,000 15,000-25,000 50 1 35,000-50,000 10,000-15,000 40 2 25,000-35,000 8,000-12,000 30 5 15, 000-20،000 5،000-8،000 20 8 10،000-15،000 4،000-6،000 15 10 8،000-12،000 3،000-5،000 10 توصيات عملية لسخانات المياه عالية النقاء
بالنسبة للسخانات المغطاة بسعة 316 لترًا في الماء المؤكسج عالي الجودة بدرجة حرارة 90 درجة، فإن حدود التيتانيوم الموصى بها هي:
نوع الخدمة الأكسجين المذاب (جزء في المليون) Ti، جزء في المليون لحفرة 10000 ساعة-طريقة التحقق من ممارسة صناعة الصلب مدى الحياة
الأدوية WFI (O2 منخفض)<1 40 VAR (standard) ICP-MS for Ti Pharmaceutical WFI (high O2) 5-8 15 VAR (low Ti) ICP-MS for Ti Semiconductor UPW (high O2) 8-10 10 VAR (ultra-low Ti) GDMS analysis
التبريد النووي المساعد 2-5 25 شهادة مورد VAR أو ESR
الصناعية العامة عالية النقاء 2-5 30 AOD + شهادة Ti Mill المنخفضة
تضمين TiN والتحقق من محتوى Ti
المشترين الذين يريدون حدود TiN دقيقة لديهم وسيلتان للتحقق. الأول هو الفحص الكيميائي لمحتوى التيتانيوم عن طريق قياس الطيف الكتلي للبلازما المقترنة حثيًا (ICP-MS) أو قياس الطيف الكتلي لتفريغ التوهج (GDMS) القبول: Ti < 10-15 جزء في المليون لخدمة عالية النقاء. والثاني هو فحص المعادن عن طريق مسح المجهر الإلكتروني (SEM) عند 1,000-5,000× على المقطع العرضي المصقول، مع حساب شوائب TiN (يتم التعرف عليها بواسطة الشكل الزاوي، المكعب، الأصفر الذهبي في وضع الإلكترون المتناثر). قبول:<1-5 inclusions TiN per mm2 greater than 2 µm.
الخلاصة: مواصفات Ti منخفضة للغاية لسخانات المياه المؤكسجة عالية النقاء
أظهرت النتائج أن التنقر يحدث في سخانات مغلفة بالفولاذ المقاوم للصدأ 316L في ماء مؤكسج (5 جزء في المليون O2) عالي النقاء - عند 90 درجة عندما تكون شوائب TiN منخفضة تصل إلى 0.0005-0.001% (5-10 جزء في المليون Ti). بالنسبة لمحتويات Ti التي تقل عن 2-3 جزء في المليون، تكون أوقات بدء الحفرة أكبر من 50000 ساعة. يجب على المهندسين الذين يستخدمون أغلفة 316L لـ WFI الصيدلانية أو UPW لأشباه الموصلات أو التدفئة المساعدة النووية تحديد إعادة صهر القوس الفراغي (VAR) بحد أقصى 10-15 جزء في المليون من تركيز التيتانيوم المصادق عليه بواسطة ICP-MS أو GDMS. (Ti غير خاضع للرقابة، عادة 20-50 جزء في المليون) بالنسبة لـ 316L العادي سوف يحفر في الماء المؤكسج عالي النقاء خلال 2-5 سنوات عند 90 درجة مما يتسبب في تلوث النظام عالي النقاء. المنهجية المقدمة هنا، والتي تربط النسبة المئوية لحجم TiN (من Ti المتبقي) بفترات بدء الحفر في الماء المؤكسج، تمكن العملاء من تحديد التيتانيوم المنخفض للغاية 316L المقاوم للتنقر الناجم عن التضمين في إعدادات النقاء العالي والأكسجين العالي الأكثر تطلبًا.
